FR2769324A1 - Procede pour couvrir des substrats metalliques d'une couche ceramique calorifuge - Google Patents

Procede pour couvrir des substrats metalliques d'une couche ceramique calorifuge Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé pour couvrir d'une couche céramique calorifuge en oxyde de zirconium, par un dépôt par évaporation sous vide au moyen d'un faisceau d'électrons, des substrats métalliques monocristallins ou polycristallins, selon lequel, pendant le dépôt par évaporation sous vide, on anime le substrat métallique d'un mouvement constitué par une superposition de deux mouvements de rotation, qui se font autour d'axes horizontaux, mais qui sont sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre.Application notamment à la formation de revêtements calorifuges sur des aubes de turbine.

Description

I la présente invention a pour objet un procédé pour couvrir d'une couche
céramique calorifugle en oxVde de zirconium, par un dépôt par évaporation sous vide au moyen d'un faisceau d'électrons. des substrats métalliques monocristallins ou polycristallins, ainsi qu'un procédé pour couvrir d'une couche des aubes de turbine en superalliages Ni. Polur réduire les pertes thermiques dans des turbines et en particulier dans des aubes de turbine refroidies par l'intérieur et pour ainsi augmenter le rendement ldes turbines, les composants des turbines sont pourvus de couches caloritiuges. Il s'est avéré tre tout particulièrement efficace, dans ce cas. d'employer le procédé cie dépôt par évaporation sous vide, au moyen d'un faisceau d'électrons. d'oxyde de zirconium stabilisé partiellement par Y
(YPSZ). qui se déroule ài une tenmpérature du substrat d'environ 1000 C.
La durée de vie des couches calorifutges sur leurs substrats est cependant limitée par l'apparition die tensions surcritiques entre le substrat métallique et la couche céram-ique. Toutes les mesures prises pour prolonger la durée de vie doivent. par conséquent. toujours viser à maintenir ces tensions le plus longtemps possible à un niveau sous-critique. Les tensions ne sont pas necessairement ài leur niveau le plus élevé pendant l'utilisation de la turbine. car le dépôt des couches calorif[lges se fait à des températures
comparables et aussi, pour cette raison. sans engendrer de tension.
Cependant. ces tensions croissent au cours de l'utilisation de la turbine, en particulier sous l'effet de l'oxy(ldation de la couche d'adhérence métallique qui se trouve entre le sulbstrat métallique et la couche céramique. Lorsqu'on stoppe la turbine, les couchIes calorifuges et les substrats métalliques (par exemple. des aubes de turbine), q(lui se trouvent en dessous, refroidissent en provoquant une contl- raction thermique. Cette contraction, dans le cas d'une baisse de température de 1000 C jusqu'à température ambiante, est de 1.6 %, pour des alliages de Ni. mais n'est en moyenne que de 1,08 % pour des couches calorifuges en YlSZ. Comme on le sait, le coefficient cle dilatation cldanes le cas dlu YPSZ est anisotrope [T1. Schubert: Anisotropic thermal expansion coefficient of YO03-stabilized tetragonal zirconia. J. Am. Ceranm. Soc. 69(1986)3. p. 270-271]: il est plus élevé suivant l'axe c
que suivant l'axe a.
L'objectif de la présente invention est d'améliorer, par rapport à l'état de la technique. l'adhérence de l'oxyde de zirconium, stabilisé partiellement
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par Y. à des substrats métalliques. Des mesures faites par la Demanderesse SUr (les couches. suivanit l'orientation accessoire <1 10>. ainsi que sur (le la maticre isotrope. mettent en évidence, par comparaison. la dilatation latérale
quelque peu plus proloicée cle couches déposées par évaporation sous vide.
Ceci est dû à la contribution des parties du YPSZ orientées suivant l'axe c.
Cectte anisotropie contfc dé.ljà aux couches déposées par éSvaporation sous vide. clu iLait (le la dilatation léèresment plus prononcée. un avantage par rapport i de la matire isotrope. cdans le cas de l'implantation sur des alliages
cie nickel cqui. comme on le sait. présentent uile dilatation encore plus lorte.
L'orientation des alliagcs Ni monoloristallins ne joue ici encore aucun rôle.
car leur coefficient cle dilatation est isotrope. Il faut cependant considérer que. pour le développeiment de tensions. l'anisotropie du module d'élasticité du nickel et de l'oxdce cIe zirconium est une circonstance encore plus aggravante que l'anisotropie cie la dilatation thermique. Il a été constaté que le rôle déterminant est joué par l'anisotropie du module d'élasticité du substrat et du YPSZ. ainsi que par l'orientation mutuelle intelligente. à rechercher i partir cie là. des directions cristallographiques des deux
éléments dlu couple.
Le but précité est atteint. dclans une première forme de réalisation. par un procédé pour couvrir d'une couche céramique calorifuige en oxyde de zirconium. par un cdlpôt par évaporation sous vide au moyen d'un faisceau d'électroins. des substrats mntalliques monocristallins ou poleycristallins. qui se caractérise en ce que. penidant le dépôt par évaporation sous vicie. on anilme le substrat méetallique id'un mouvement constitué par une superposition de deux mnouvements cie rotation, qui se font autour d'axes
horizontaux. mais qlui sont sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre.
Dans le cas d'une aube de turbine de configuration allongée. ceci écqluivaut. par exemple. à une rotation simultanée autour des axes principaux horizontaux. c'est-à-direc autour du moment d'inertie le plus grand et du
moment d'inertie le plus petit de la pièce.
D['après la loi cdIe looke permettant de calculer des tensions élastiques. on a:
(Y étant la tension.
E. le module d'eélasticité et la dtéformation élastique Si par conséquent. pour l'application concrète. oll donne au module d'élasticité une valeur élevée. alors, dans le cas d'un glissement élastique s'effectuant sous une amplitude constante. la tension sera également élevée dans une mesure correspondante. Si donc ici, dans le cas particulier de l'appariement cie matières superalliage de Ni monocristallin/couche calorifiuoe. la différence d(les modules d'élasticité est élevée, la tension entre les cleux e,éléments clu couple. dans le cas d'un allongement eélastique ou d'unile variation cie teimpérature. finira par être élev\ée dans une mesure correspondante. Dans l'application technique réelle, une aube de turbine
monocristalline. qui a été soliclitfiée en général suivant la direction <100>.
est, par exemple. partout revetue par évaporation sous vide, suivant la même orientation. cIe céramique constituée par du YPSZ, en étant entraînée en rotation. meme dans le récipient de formation du revêtement. Comme cela
est connu dans l'état clte la technique [D.V. Rigley. R. Viguie, D.J.
Wortman. l).W. Skellv: PVID) thermal barrier applications and process clevelopmient lbr aircraft engines. NASA conference publication 3312 (1995) p. 135-1491. les cristaux de céramique texturés dans la direction
<100> croissent perpendiculairerment à l'axe de rotation sur le substrat.
D'après des examens faits par la Demanderesse, qui confirment le résultat ci-dessus. les cristaux croissent eégalement. en outre, dans la direction lateérale. cle thçon tortemilent anisotrope. dans le cas d'un dépôt par évaporation sous rotation. D'après des études de U. Schulz [U. Schulz. H. OQettel. W. Bunk: Texture of I'B-PVD Thermal Barrier Coatings Under Variable Deposition Conditions. Z. Metallkd. 87(1996)6. p. 488-492]. une direction -100> s'établit parallèlement à l'axe de rotation. I,'image de poôles de la Figure I montre l'image de cette texture, qui est produite par une telle couche. La direction cie la flèche indique la direction de l'axe de rotation. La
direction <1 00> de la texture de la couche s'étend dans la même direction.
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Si l'on suppose que le substrat métallique est une plaque en un superalliage Ni monocristallin avant une orientation conventionnelle des aubes de turbine. dans sa direction de croissance <100>. qui tourne autour de cet axe pendant le cidépôt de la couche, et que la surface (010) a en outre eté choisie comnlie suritace de la plaque. il s'établit alors les relations cristallines suivantes: lPour les plans ( I00)Alliage Ni 1l( 00)couche calorifuge Pour les directions <100->Alliage Ni l <100>couche calorifuge <1 10>--Alliage Nill <1 00> couche calorifuge Les modules dl'élasticité sont. comme on le sait, fbrtement anisotropes. Ceci est cdlejàa pris Cen compte dans l'état de la technique, pour des pièces en superalliages Ni monocristallins. Dans le cas de cristaux d'oxyde (le zirconium. l'anisotropie des modules d'élasticité est certes connue IR.11. Ingel, D. I e\vis 111: Elastie anisotropy in zirconia single crvstals J. An. Ceraim. Soc. 71(1988)4, p. 265-271] mais elle n'a jusqu'à présent pas été exploitée. ou prise en considération. pour la fabrication industrielle. Si à présent des aubes cIe turbine en superalliages Ni moniocristallins sont revêtues d'oxvde (le zirconium par évaporation sous vide au moyen d'un lhaisceau d'électrons, en mode tournant, moyennant une fixation à un axe horizonital, on voit alors s'opposer, suivant les orientations cristallographiques principales qui peuvent apparaître ici, les modules d'élasticité indiqueés dans le Tableau 1 ci-après, qui ont été déterminés sur unil matériau compact monlocristallin:
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lableau 1 Direction Monocristal YPSZ Crist. de Ni <100 13() GPa 360 GIPa <110 2() Pa 200 GPa < I 1I:- 290 GPa 160 GIPa De cette thaçon. on en arrive, dans le cas le plus défavorable, à une différence d'un facteur 2.8 entre les modules d'élasticité, comme le montre le Tableau 2 présenté ci-après. Un facteur optimal serait 1. Ce cas n'est pas réalisable dl'un point cie \ue physique. Par une rotation de 45 de la direction (Ie la texture de la couche. on parvient à réduire le facteur mentionné à une
valeur de 1.5. comme celal ressort du Tableau 2.
Tableau 2:
Directiotn cle croissance <00() 1 > du superalliage Ni Facteur de différence entre Module d'élasticité les modules d'élasticité de GPa l'oxyde de zirconium et de l'alliage de nickel Oxvde de zirconiumi <()() 1> sur un substrat tournant. de façon classique. pendant la 360 GPa 2. 8 formation (ce la couche Module d'élasticité ()xyde de zirconium <0 11> (tourné cie 45 sur le côté) sur 200 GPa 15 le substrat Module d'élasticité
Si maintenant. pendant le dépôt par évaporation sous vide.
l'éprouvette ne tourne pas seulement autour de son axe de rotation horizontal. mais que. conformément à l'invention, elle est soumise, durant l'évaporation sous vide. à une composante de mouvement supplémentaire,
de telle sorte qu'un mouvemient de rotation supplémentaire se déroule alors.
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à la inmême vitessc anu1ulaire. autour d'un axe horizontal qui s'étend sensiblement à angle droit par rapport au premier. il apparaît alors une direction résultante de nlmouvement, qui est décalée de 45 par rapport à la première. s 1La Fi-uire 2 montre le dtépôt par évaporation sous vide, au moyen d'un faisceau d'électrons..l l'aidt de dessins de mouvements superpostés. de
couches caloriftuioes à texture laterale améliorée.
l.e substrat 1. ici en ll'rmle Cde bâtonnet, est revetu, par évaporation sous vide. du matériau s'échappant de la source d'évaporation située en dessous de lui. dans dies conditions fixées par la rotation autour de l'arbre de
coulissement et cie rotation 3 et par la rotation autour de l'axe de rotation 2.
De cette mani'ère. une direction, décalée de 45 0 de la texture de la couche d'oxvde de zirconiumn peut donc être également formée au dépôt sur des pieces. Ce décalage (le 45 a été, conlformément à l'invention, realisé expérimentalement. suivant les principes préliminaires mentionnés. En geénral. ce type dc mode cde tlrmation de revêtement équivaut à une rotation simnultanée autour des deux axes principaux horizontaux de la pièce. qui reprtésentent en lmêmle temps. dans de nombreux cas, Ie moment
d'inertie le plus grand et le moment d'inertie le plus petit.
Il s'est alors av'r. contorlmément à l'invention. que les directions de mouvement qui se stuperiposeilt nc doivent pas nécessairement conduire à un mouvement dte rotation résultant décalé exactement de 45 0 c'est-àdire que les vitesses angulaires (les mouvements de rotation se superposant n'ont pas à être exactement identiques. pour produire une rotation de la texture latérale de la couche qui la tasse passer de l'orientation de direction <1 00> àa l'orientation tie direction <0) 10(-. C'est ainsi qu'au cours d'expériences supplémentaires, le rapport des vitesses angulaires de l'axe principal et du mouvement de rotation s'exercant perpendiculairement à celui-ci a été relevé de plus cdu factCurI 10 en une passe d'essai. une vitesse de rotation 3( piLs s élevéxe dtie l'axe principal (= arbre die coulissemenit et de rotation 3) egale à 12 t'min avant. dlans ce cas, été établie. UJne figure de pôles correspondante est représentée sur la Figure 3. Par comparaison avec la Figure 1. il se produit en Ihit. ici aussi. une rotation de 45 de l'orientation cde direction. ILa largeur des reflets, désormais obtenus, de la figure dc pôles a alors augmenté. ce qui indique que, dans ce cas, l'orientation
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cristallographiquc dcs cristaux individuels entre eux admet tun ordre inlérieur. C('cst pourquoi il cst à préférer. selon une forme deic réalisation particulière dce la présentc invention. de régler la vitesse angulaire des deux
mouvcnments (le rotatioln la même valeur ou à des valeurs diftérentes.
O I'Pour l'obtention d'lune couche caloriflge la plus uniftorime possible. il est préférable. conolrmémcent à l'invention. de maintenir constant. pendant le dicpôt par évaporation. le rapport mutuel (les vitesses angulaires des cleux
mouvements de rotatioln.
tJine autre voie. qtueC l'on peut en principe emprunter Cenl 'ue d'un couplage de mnatières plus favorable dans l'optique d'une optimisation de la coïncidence dLes modules dl'élasticité entre l'alliage de nickel monocristallin et la couche calorifugie. déposée par évaporation sous vide au moyen d'un laisceau d'électrons. serait (le produire les substrats monocristallins suivant l'orientation (111). auil lieu dc Ics produire suivant l'orientation (100). La resistance au flumage dcs substrats eni serait certes réduite. commne on le sait d'une façon générale. dans la direction des tensions de fluage maximales cn service. mais cette rédluction restecrait toutefois faiblec d'une manière encore acceptable. Ciette orientation aurait néanmoins un double avantage: d'une part. une plus grande rigidité des aubes de turbine qui a meme aussi un etffet positifsur la durée de vie des couches céramiques. et. d'autre part. leur orientation plus favorablec par rapport à la direction de la texture de la couche calorifuie. cont formémnent à
<1 I lAliage Ni Il <100>Couche calorif.uge.
Cette co\nvergelCe (le direction apparaît mnême avec une différence
dl'un facteur de 1.25. seulemient. (ies modules d'élasticité.
Urne autre forme de réalisation de la présente invention consiste à utiliser. conoe on le tait traditionnellement, la technique établie dle culture 3o des cristaux pour des aubes de turbine et à couvrir ces pièces. solidifiées sous tUnllC lorme monocristalline. des couches calorifuges déposées conflormément à l'invention, qui tformient une texture d'orientation <1 10> dans la direction de l'axc principal d'orientation <100> des pièces. Cette solution conlorine à l'invention est neutre en termes de coût, c'est-à-dire présente l'avantage que l'on peut utiliser des dispositifs industriels de
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rev'tenllent déjà mis au point, qui perimlettent de couvrir des pièces d'une couche conflornménienit à la tcchniquc décrite ici, sans que des modificatiolns additionnelles cIe l'appareillage aient à être effectuées. ni que des
investissemlients supplémentaires soient nécessaires.
Le faible module d'élasticité cde la pièce dans la direction <100>, qui a un etffet particulièrement marqué enC cas de vibrations et/ou à la suite d'un alloingemient sous l'elfet d'une sollicitation en traction, est alors tout à tfait accepté. L a couche céramnique modifiée contformément à l'invention, une fois sur la pièce. peut cependant mieux supporter. grâce à son module d'élasticité plus lfaible dans cettc direction principale, les variations de configuration. car les tensions entre la pièce et la couche céramique sont
désormais plus faiblcs.
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Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour couvrir d'une couche céramique caloriftuge en oxyde (le zirconium. par un dépôt par evaporation sous vide au moyen d'un faisceau d'(lectrons. (les substrats métalliques monocristallins ou polycristallins, caractérisé ell ce que. pendant le dépôt par évaporation sous vide. on anime le substrat métallique d'un mouvemrent constituée par une superposition de deux mouvemenits (le rotation, qui se tfont autour d'axes
horizontaux, mais qui sont sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre.
2. I'rocédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajuste la vitesse anulalire (ies deux mouvements de rotation à la meme valeur ou à
des valeurs différentes.
3. Procédé selon la revenldication 2,. caractérisé en ce que, pendant le dépôt par évaporation sous vide. on maintient constant le rapport mutuel
des vitesses anlulaires.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3.
caractérisé en ce que l'on couvre d'une couche des aubes de turbine
monocristallines en superalliaues Ni.
5. Procédé pour couvrir d'une couche céramique calorifuge en oxyde de zirconium. par un dépôt par évaporation sous vide au moyen d'un laisceau d'élcctrons. (les aubes (le turbine en superalliages Ni ayant, comme
direction (le croissance principale. une direction <1 1 1>.
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